ŠVIESOS POLIARIZACIJOS TYRIMAS, TAIKANT MALIU DĖSNĮ

Darbo tikslas.

Susipažinti su Maliu dėsniu. Atlikus darbą, nustatyti ar Maliu dėsnis galioja.

Teorinė dalis.

Šviesa yra skersinės elektromagnetinės bangos, t.y. jų elektrinio lauko stiprio vektorius

ir magnetinio lauko indukcijos

vektorius yra statmeni

tarpusavyje ir bangos sklidimo

krypčiai. Todėl elektromagnetinės

bangos apibūdinimui užtenka vieno

lauko orientacijos. Kadangi šviesos

sąveika su medžiaga priklauso nuo

elektrinio lauko, todėl šviesos bangoje svarbesnis yra elektrinio lauko stiprio vektorius ir jo

virpesių kryptis. Šis vektorius dar vadinamas šviesos vektoriumi.

Banga, kurioje šviesos

vektoriaus kryptis yra apibrėžta,

vadinama poliarizuota banga.

Plokštuma, nubrėžta per

bangos sklidimo kryptį ir šviesos

vektorių, vadinama bangos

poliarizacijos plokštuma.

Šviesa, kurią skleidžia natūralus šviesos šaltinis, t.y. Saulė, dienos šviesos lempos ir t.t.,

vektoriai yra orientuoti visomis spinduliui statmenomis kryptimis ir tokia šviesa nuolatos ir

netvarkingai kinta. Tokia šviesa vadinama natūralia arba nepoliarizuota. Jei nagrinėjamame

šviesos pluošte vyrauja kurios nors krypties šviesos vektoriai, tai tokia šviesa yra iš dalies

poliarizuota. Jei šviesos elektrinio vektoriaus kryptis lieka vienoje plokštumoje, ji vadinama

tiesiškai poliarizuota.

Aplinka, kurioje šviesos greitis kiekviename jos taške priklauso nuo šviesos sklidimo

krypties ir nuo jos poliarizacijos pobūdžio, vadinamos anizotropinėmis. Optiškai anizotropinėmis

aplinkomis sklindančios šviesos spindulys suskyla į du.

Šis reiškinys vadinamas dvejopu šviesos lūžimu. Tokios

savybės būdingos daugeliui kristalų (kvarcui, turmalinui,

islandiškajam špatui ir kt.). Tyrimai rodo, kad šviesos

greitis juose priklauso ne tik nuo jos sklidimo krypties,

Natūrali

šviesa

Poliarizacijos

plokštuma

Tiesiškai poliarizuota

šviesa

bet ir nuo vektoriaus orientacijos. Kryptys, išilgai kurių dvejopo šviesos lūžimo nebūna,

vadinamos kristalo optinėmis ašimis. Paveiksle pavaizduota islandiškojo špato (CaCO3) optinė

ašis . Bet kuri tiesė, lygiagreti su šia kryptimi, yra optinė ašis, t.y. išilgai kurios šviesos

greitis nepriklauso nuo orientacijos. Per optinę ašį ir krintantį spindulį išvesta plokštuma

vadinama pagrindinio pjūvio plokštuma.

Nustatyta, kad tie abu spinduliai yra poliarizuoti taip, kad jų vektoriai svyruoja

tarpusavyje statmenose plokštumose. Paprastojo (ordinarinio – o) spindulio vektorius svyruoja

plokštumoje, statmenoje pagrindinio pjūvio

plokštumai. Nepaprastojo (ekstraordinarinio

– e) spindulio vektorius svyruoja

pagrindinio pjūvio plokštumoje. Krisdami į

kitą kristalą, paprastasis ir nepaprastasis

spinduliai išsisklaido vėl į du spindulius,

poliarizuotus statmenose plokštumose. Taigi

dvejopas šviesos lūžimas reiškia, kad krintanti šviesos banga anizotropinėje aplinkoje sužadina

dvi bangas – paprastąją ir nepaprastąją. Jos yra poliarizuotos ir sklinda skirtingais greičiais.

Dvejopo šviesos lūžimo reiškinys naudojamas tiesiškai poliarizuotai šviesai gauti. Tam yra

gaminamos Nikolio prizmės (nikoliai). Islandijos špato natūraliam kristalui suteikiama tokia

forma, kad jo ilgoji briauna būtų 3,75 kartų didesnė už trumpąją. Smailieji kampai sumažinami

iki 68°. Tarp nikolio šoninių briaunų ir kristalo optinės ašies yra 48° kampas. Toks

kristalas perpjaunamas išilgai plokštumos MN, jungiančios bukus kampus ir statmenos

nušlifuotiems galams. Po to šios plokštumos gerai nušlifuojamos ir suklijuojamos Kanados

balzamu, kurio lūžio rodiklis lygus 1,55. Natūralus spindulys AB taške B lūžta ir išsiskaido į du

poliarizuotus spindulius - paprastą BC ir nepaprastą BD. Paprastajam spinduliui krintant iš

Islandijos špato į Kanados balzamą kampu, didesniu už ribinį kampą, įvyksta visiškas vidaus

atspindys. Paprastas spindulys nukrypsta į šoną ir sienelės absorbuojamas. Nepaprastas spindulys

praeina Kanados balzamo sluoksnį kryptimi BD. Taip praėjęs nikolį, nepaprastas spindulys yra

tiesiškai poliarizuotas ir jo vektoriaus virpėjimai vyksta pagrindinio pjūvio plokštumoje. Nors

kristalas beveik visai skaidrus, išėjusio spindulio intensyvumas tesudaro tik 50% į nikolį kritusio

natūralaus spindulio intensyvumo.

Spindulio kelyje pastatome du šviesą poliarizuojančius įrenginius, t. y. Nikolio prizmes.

Šie įrenginiai naudojami natūraliai arba iš dalies poliarizuotai šviesai paversti tiesiškai

poliarizuota šviesa ir vadinami poliarizatoriais. Jų veikimas pagrįstas Briusterio dėsniu šviesos

atspindžiui ir lūžiui dviejų skaidrių izotropinių dielektrikų riboje arba dvejopo šviesos lūžio

vinaašiuose kristaluose. Poliarizatorių sukant apie šviesos sklidimo kryptį, kinta per jį perėjusios

šviesos vektoriaus kryptis. Todėl poliarizatorių galima panaudoti poliarizuotos šviesos analizei.

Tada jis vadinamas analizatoriumi.

Kai poliarizatoriaus pagrindinio pjūvio plokštuma PP ir

analizatoriaus pagrindinio pjūvio plokštuma AA sudaro kampą ,

per analizatorių perėjusiosšviesos intensyvumą surandame

išskaidę į jį krintančios poliarizuotos šviesos elektrinio lauko

stiprumo amplitudę Ep į du vienas kitam statmenus komponentus

ir . Svyravimai, statmeni AA krypčiai, per analizatorių

nepereina. Iš paveikslo gauname, kad per analizatorių praėjusių

virpesių amplitudė lygi . Per analizatorių

perėjusios šviesos intensyvumas I

proporcingas svyravimų amplitudės

kvadratui.

Maliu dėsnis žodžiais nusakomas

taip: šviesos, perėjusios per analizatorių,

intensyvumas I yra lygus perėjusios per

poliarizatorių šviesos intensyvumui ,

padaugintam iš kosinuso kvadrato kampo tarp analizatoriaus ir poliarizatoriaus pagrindinio

pjūvio plokštumų:

(1)

Iš Malio dėsnio matyti, kad, esant sukryžiuotiems nikoliams ( ), per analizatorių

šviesa nepereina (I = 0). Kai poliarizatoriaus ir analizatoriaus pagrindinių pjūvių plokštumos

lygiagretės ( ), perėjusios per analizatorių šviesos intensyvumas yra didžiausias ( ).

Lazeriuose naudojamų medžiagų atomai, jonai ar molekulės spinduliuoja dėl

priverstinio spinduliavimo ir tokiu būdu sukuriamas didelis skaičius tapačių fotonų. Jei lazeryje

yra panaudojami poliarizuojantys elementai, tai didinamas skaičius tik tam tikros poliarizacijos

fotonų ir lazerio šviesa yra poliarizuota. Paprastai lazeriuose naudojami poliarizuojantys

elementai, kurie užtikrina tiesiškai poliarizuotos šviesos generavimą. He - Ne lazerio veiklioji

medžiaga yra inertinių dujų - helio ir neono mišinys. Šis lazeris, tolydžiai skleidžiantis nedidelės

galios griežtai monochromatinę šviesą, yra naudojamas optinėms sistemoms derinti,

interferometrijoje, įvairių optinių elementų kokybei nustatyti ir t.t.

Darbo priemonės:

1 – He–Ne lazeris, 2 – poliarizatorius, 3 – optinis suolas, 4 – fotoelementas, 5 – skaitmeninis

ampermetras.

P

P

A

A

90° 0°

Natūrali

šviesa

šviesos

nėra

Poliarizatorius Poliarizatorius

Darboeiga.

1) Įjunkite lazerį į rozetę. Prieš matavimą pašildykite lazerį apie 15 min.

2) Skaitmeninio ampermetro rankenėlę pasukite iš padėties OFF į padėtį .

3) Keičiant poliarizatoriaus kampą į lentelę surašykite srovės stiprio parodymus.

4) Iš išmatuotų srovės reikšmių prie kampo , atskaitykite srovę ir įrašykite į lentelę.

5) Taip pat prie kampo , atskaitykite srovę ir įrašykite į lentelę.

6) Išjunkite lazerį, skaitmeninį ampermetrą ir baikite pildyti lentelę.

,

,

,

,

,

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

7) Iš gautų eksperimentinių rezultatų nubraižykite grafiką.

8) Tame pačiame grafike kita spalva atidėkite teorinių rezultatų kreivę iš sekančios lentelės:

1

2

3

4

5

0 2cos

0 2cos

0 1 50 0,41

10 0,97 60 0,25

20 0,88 70 0,12

30 0,75 80 0,03

40 0,59 90 0

9) Parašykite išvadas.

Kontroliniai klausimai.

1. Kokios bangos vadinamos elektromagnetinėmis?

2. Grafiškai pavaizduokite poliarizacijos plokštumą ir apibrėžkite ją.

3. Kokia šviesa vadinama natūralia? Pavaizduokite grafiškai.

4. Kuo skiriasi dalinai poliarizuota šviesa nuo tiesiškai poliarizuotos?

5. Kas yra poliarizatoriai? Kam jie naudojami?

6. Nusakykite Maliu dėsnį ir užrašykite formulę.

7. Kada šviesos intensyvumas tarp poliarizatoriaus ir analizatoriaus dižiausias? Kada

mažiausias?

8. Kokia plokštuma vadinama pagrindinio pjūvio?

9. Koks reiškinys vadinamas dvejopu šviesos lūžimu?

10. Kaip pagaminamas nikolis?